蝸桿零件工藝設計摘要阿基米德圓柱蝸輪和蝸桿的作用是對空間交叉軸之間產生的運動和動力進行傳遞，其優勢是傳動比明顯、結構密集、制造簡便。所以，其被普遍使用到礦山、冶金和起重領域。因為在實踐運用的時候其會受損，因此文章是對蝸輪蝸桿體現的加工特性展開分析和研究。而且根據蝸桿的特點進行整體加工工藝的設計，以便蝸桿生產的便捷性。關鍵詞：蝸桿傳動；工藝設計；模型設計目錄TOC\o"1-3"\h\u25832前言 127291工藝特性 144542蝸桿設計的傳動計算 113803蝸桿及其零部件設計 2583.1蝸桿結構設計 2319903.2蝸輪結構設計 3107433.3蝸桿和蝸輪的參數化設計 4144663.3.1蝸桿的參數化設計 437523.3.2蝸桿主要參數輸入 5326603.4蝸桿模型的創建 7104083.4.1創建蝸桿掃描軌跡線 7307363.4.2創建蝸桿基本圓及蝸輪阿基米德螺旋線 7121293.4.3創建另一側的基本圓和漸開線 7185643.4.4創建蝸桿掃描混合特征 8288693.4.5切出蝸桿主體 8189983.5參數關系式確定 8326974蝸桿參數化程序設計 10123814.1蝸桿的重新生成 1199444.2蝸輪的參數化設計 12303104.2.1零件的分析 12189865蝸輪主要參數參數輸入 14136325.1蝸輪模型的創建 14306685.1.1創建蝸輪基準特征 14163685.1.2創建蝸輪漸開線 1498815.1.3創建旋轉曲面 15107655.1.4創建蝸輪主體 15233785.1.5創建掃描混合特征及陣列 15119855.2參數關系式確定 16286355.3蝸輪程序成參數化設計 18260715.4蝸輪重新生成 19218925.5創建蝸輪修特征 2023244總結 221942參考文獻 23前言在齒輪傳動形式中最基礎的一項是蝸桿傳動，被普遍使用到化工、冶金、國防等各個領域。蝸桿傳動的原理和加工方面都在當下有了很多的探索，對蝸輪蝸桿材料、蝸桿副加工制造等作出了研究。不過，上面這些研究還相差甚遠，應該持續對蝸桿傳動作出改善和健全。在蝸桿進行傳動的時候，蝸桿發揮著重大的作用，本文基于蝸桿及其零件加工工藝的研究對蝸桿的生產具有一定的指導意義。1工藝特性蝸桿傳動是一種階梯式軸隙齒輪傳動，若想共軛面能夠以線性接觸，一定要使用對偶包絡法生產渦輪和蝸桿。而且考慮到瞬時接觸線的長度延長需要將蝸桿和渦輪制造成單圈或是雙圈的輪廓形狀。蝸桿傳動有位置變動需求的時候，一般需要對渦輪進行變為，倘若蝸桿改變位置，制造渦輪用到的滾刀也需隨之改變。2蝸桿設計的傳動計算按照蝸桿減速器相應的傳動計劃能夠發現，蝸桿減速器與電動機是依靠聯軸器連接，蝸桿減速器與鏈輪同樣是依靠聯軸器連接。根據電動機的功能，從Y系列中選擇通用型的三相感情電動機將動力提供給傳動設施，電機選擇的是Y132S1-6,額定功率僅為Ped=3KW，同步轉動速度每分鐘1000r，滿載轉動速度每分鐘為960r。根據蝸桿和蝸輪的設計參數作用在，在蝸桿上的力矩T1和作用在蝸輪上的力矩T2為:其中，P0表示電機標稱輸出功率，P1表示蝸桿吸收的功率，P2表示渦輪的吸收功率；T1、T2分別表示蝸桿和蝸輪承受的扭矩；n1、n2、n3分別表示電機、蝸桿和蝸輪的轉動速度；分別表示聯軸器、軸承和蝸桿傳動的運行效率；表示蝸桿傳動輸入速度與輸出速度的比。從蝸桿達到的傳動功率以及輸出速度決定使用45鋼來制作蝸桿，對其表面進行淬火，其HBC應該達到45到500的標準，蝸輪蝸桿進行嚙合運行的時候達到6m/s以內的相對滑動速度，蝸輪選用材料制作，金屬模具時效鑄造，精度達到8級。根據在設計蝸輪傳動時候要滿足的要求，參考蝸輪傳動的運算公式，從表格中提取m=6.3,q=10,z1=2,z2=41,x2=-0,1032,18'36’’，進而將蝸桿傳動的大小計算出來，結果在表3.2中。表3.2蝸桿尺寸表名稱蝸桿渦輪模數m=6.3mm分度圓直角d1=63mmd=258.3mm齒定圓直徑da1=75.6mmda2=263.95mm齒根圓直徑Df1=47.88mmdf2=246.92頂隙C=0.2m蝸桿分度圓導程度蝸桿分度圓螺旋角=11°18’36’’=11°18’36’’中心距a=160mm蝸桿螺紋部分長度b1=110mm蝸輪外圓直徑de2=273.4蝸輪齒寬b2=55mm3蝸桿及其零部件設計3.1蝸桿結構設計在為蝸桿設想結構形式的時候會面臨兩種現象：蝸桿螺旋的直徑比較小的時候，一般和軸組合成總體，這樣的結構在缺乏退刀槽的情況下，對螺旋部分的設計僅能通過銑削加工的方式，當存在退刀槽的情況下，螺旋能夠通過車削制作，也能通過銑削方式制作，這樣的條件下，剛度相較于退刀槽不存在的結構要差一些；蝸桿螺旋直徑比較大的時候，應該單獨加工蝸桿和軸。文章蝸桿結構應該和軸放在一起設計并且不配置退刀槽。從前面的介紹來看：蝸桿上承受的轉矩達到T1=23.58N，蝸桿上面的分度圓要有63mm的直徑，齒輪外徑要達到da1=75.6mm，齒根圓需要達到Df1=47.88mm的直徑，螺旋單元達到b1=110mm的寬度。圖3.2顯示的是蝸桿的結構構思，按照蝸桿軸上安裝拆卸零件的次序和定位藥求，以最小直徑dmin開始策畫。圖3.2蝸桿結構示意圖3.2蝸輪結構設計在為蝸輪設想結構形式的時候會面臨四種現象：一，齒圈式，這種結構是運用鑄鐵芯與青銅齒圈形成的，基本是在尺寸較小、工作環境氣溫改變不大的場景中使用，避免熱脹冷縮對組合質量造成影響；二，螺栓連接方式，這種結構可以選擇常規的螺栓也能選擇鉸制螺栓，并且螺旋大小和數量是取決于渦輪的結構大小確定的，這種結構安裝和拆卸都很簡單，基本在渦輪尺寸有大量需求或是渦輪極易受損的場景中使用；三，整體澆注式，這種結構基本在鑄鐵渦輪亦或是尺寸不大的青銅渦輪上使用；四，拼助式，這種是將青銅齒圈安裝到鑄鐵芯上面，切齒經常在批量生產齒輪的情況下使用。文章是運用拼助式來設計渦輪的結構。由上文可知：作用在蝸輪上的扭矩為T2=340.88N.m，蝸輪寬度為b2=55mm。圖3.3蝸輪結構示意圖3.3蝸桿和蝸輪的參數化設計對已經建立的3D模型的尺寸大小作出調整的一種設計辦法，叫做參數化設計，將對應的參數值賦予給這些主要規格以重新建立所需的3D模型。參數關系式為新3D模型再生提供保障，它直接決定了設計模型每一個部分之間的相互位置關系。經程序更改設置參數，模型重新生成由程序驅動的關系控制。利用參數化設計的辦法對蝸桿傳動進行設想，得到的整體結構圖見圖4.1和4.2所示。蝸桿設計蝸桿設計零件分析參數輸入模型創意添加修飾程序設計關系輸入圖4.1蝸桿傳動參數化設計框架蝸輪設計蝸輪設計零件分析參數輸入添加修飾程序設計關系輸入模型創建4.2蝸輪傳動參數化設計框架3.3.1蝸桿的參數化設計對蝸桿的組成實施零件分析主要包含了蝸桿主體構造特點和齒輪等，對蝸桿的制造進行模仿是正確構建阿基米德蝸桿3D模型的關鍵。文章回顧第二章介紹的蝸桿齒輪側表面方程，對蝸桿的制作過程進行模擬，為蝸桿建立3D模型?？紤]到阿基米德蝸桿可以在車床上運用直母線刀刃進行加工，加工環節車刀和工件之間產生的相對運動見圖4.2，將車刀前角重點（設置成A點）當做是觀測點，對A點的移動展開分析，通過時間t之后，A點移動到Ai位置。圖4.2蝸桿加工軌跡A點運動軌跡方程：在對蝸桿實施加工的過程中運用到梯形車刀時，車刀運行的足跡屬于是空間螺旋曲線。在Pro/E軟件里面構建這種空間螺旋線的思維是：把A點上的軌跡方程（4.1）轉化為Pro/E里面相應的方程公式，選擇PathEquation命令ReferenceCurveInsert菜單即可完成阿基米德螺旋的繪圖。螺旋線屬于是蝸桿對混合特點進行掃描產生的軌跡，所以螺旋線能夠影響到蝸桿的旋轉方向。每條螺旋線方程都代表著差異性的蝸桿旋轉方向，將P設置成螺距，設置成螺旋角，r設置成螺旋半徑，所以車刀軌跡（也就是齒輪測表面螺旋線）的公式是：3.3.2蝸桿主要參數輸入蝸桿涉及到的參變量包含了：分度圓柱中的紋升角（GAMMA）、分度圓直徑（D）、模數（M）、渦輪齒數（Z2）、蝸桿頭數（Z1）、蝸桿軸端壓力角（ALPHA_T）等。關于蝸桿傳動，齒頂高系數Ha*的數值一般取為1，頂系系數Ca*的數值一般取為0.2。計算幾何尺寸用到的公式見下表所示。表4.1蝸桿傳動基本尺寸計算關系式名稱代號計算關系式蝸桿導程SS=πMZ1蝸桿分度圓直徑D1D1=M×Q蝸桿齒頂圓直徑Da1蝸桿齒根圓直徑頂隙CC=C*×M蝸桿齒頂高Ha1蝸桿齒根高Hf1蝸桿齒寬B1蝸桿齒根圓直徑Df1在Pro/E參數菜單選項中依次添加蝸桿的主要設計參數，如圖4.3所示。圖4.3參數編輯對話框3.4蝸桿模型的創建建立蝸桿的基本特點、為蝸桿構建阿基米德螺旋線、構建掃描混合特點和復制矩陣特點等之后才能將蝸桿模型構建出來。其流程主要是：3.4.1創建蝸桿掃描軌跡線創建模型參考：模型參考涉及到的元素有DTM1參考平面、兩個參考軸A1和A2，以及參考坐標系CSO、CS1和CS2。參考平面DTM1是通過TOP平面平行移動形成的，參考軸A1屬于是TOP平面與平面相交產生，參考軸A2屬于是DTM1參考平面與平面RIGHT相交產生的線，而CSO參考坐標系是將平面RIGHT，平面TOP，平面FRONT作為參照獲得的，CS1參考坐標系通過參考RIGHT平面、DTM1平面和FRONT平面獲得，CS2參考坐標系將CS1參考坐標系當做參照物，坐標系不同軸的方向取決于定向方式。為蝸桿掃描軌跡構建曲線：通過從方程和坐標系中選擇圓柱坐標生成設計曲線，在開啟的記事本中導入螺旋線對應的方程式中，蝸桿掃描產生的曲線如下圖繪制。圖4.4蝸桿掃描軌跡線3.4.2創建蝸桿基本圓及蝸輪阿基米德螺旋線坐標系參考選擇的是CS2坐標系，參考平面選擇的是FRONT平面，同心圓需要有4個，依次和蝸桿中的分度圓、齒根圓、齒輪外徑和基圓相照應。但是將CS2坐標系當做是參照坐標系，確定性方程法將坐標系型過濾出笛卡兒坐標系，將和曲線呼應的阿基米德螺線方程導入到一個開放的筆記本中，然后在蝸輪上畫出阿基米德螺線，然后依靠鏡像技術，將RIGHT平面當做是鏡像平面，以此對阿基米德螺旋線進行鏡像。3.4.3創建另一側的基本圓和漸開線復制特性，復制前面步驟中構造的阿基米德螺線和基圓，然后選擇平移特性。3.4.4創建蝸桿掃描混合特征上面步驟結束后，從RIGHT平面上擠壓出蝸桿的主體特點。按下掃描混合特征按鈕，將已經存在的阿基米德螺旋線當做是掃描路徑，結合阿基米德畫出的螺旋線，描繪出蝸桿的齒廓。使用A1軸作為復刻參考。復刻掃描混合物。3.4.5切出蝸桿主體受到旋轉功能的作用下，通過去除材料的方式將蝸桿螺旋的局部主體切出來，蝸桿螺旋局部主體特點見下圖所示。圖4.5蝸桿主體3.5參數關系式確定從工具菜單目錄中點擊關系選項，彈出一個編輯對話窗口，對參變量關系式進行編輯。下圖給出的是參變量編輯對話窗口。蝸桿運用參數化方式建立模型相關尺寸的關系式為：GAMMA=ATAN（M*Z1/D）BETA=GAMMAALPHA_T=ATAN（TAN（ALPHA）/COS（BETA））S=PI*M*ZTX=CEIL（L/S）LA=TA*M*Z1*PIDO=M*Z2-D/2D1=360/（4*Z2）+180*TAN（ALPHA_T）/PI-ALPHA_TD2=M*Z2D3=D2+2*MD4=D2*COS（ALPHA_T）D5=D2-2.4*MD7=LAD18=D-2.4*MD20=2*LAD29=0.38*MD37=0.38*MD152=M*3+DD153=LD154=1.5*MD155=1.5*MD161=TX*S/2相關參數表示尺寸為：Do為DTM1平移距離，D1為坐CS0與坐標系CSI的夾角，D2是分度圓上的直徑，D3則是齒輪外徑的直徑，D4代表基圓上的直徑，DS代表齒根圓上的直徑，D7代表的是蝸桿另一邊的基圓和阿基米德螺旋線平行移動間的距離，D18代表了蝸桿上的直徑參數，D20代表的是蝸桿主體延長長度，D153代表的是蝸桿螺紋部分長度。4蝸桿參數化程序設計打開Pro/E軟件，在工具欄里面選中程序，之后點擊編輯程序便能出現一個編輯蝸桿程序的記事本，在里面便能更改蝸桿程序參數。編程蝸桿的流程：打開編程程序的記事本，能夠在INPUT和ENDINPUT中間對蝸桿的參變量作出修改，具體如下圖。圖4.7蝸桿程序設計參數編輯在程序編輯的記事本里面，可以在RELATIONS和FINALRELATIONS之間進行參變量關系表達式的設計，詳見下圖所示。圖4.8蝸桿參數表達式編輯4.1蝸桿的重新生成結束了蝸桿的設計之后，通常還要調整其參變量，再次生成蝸桿。點擊“再生”選項，跳出菜單編輯器，按照提示將修改以后的參變量輸入到對應的位置上，結束之后便能得到新參變量的蝸桿模型。下圖顯示的是各種參變量下的蝸桿特點。Z1=2m=2.5mmd=28mmz2=29γ=10°07’29’’l=50mmz1=2m=6.3mmd=63mmz2=41γ=11°18’36’’l=110mm圖4.9兩組不同參數蝸桿特征因為載荷和設計要求，蝸桿的規格和尺寸通常會存在區別，將蝸桿主體研究出來，按照設計圖上的大小，將蝸桿實體模型建立出來，按照現實設計需求，詳見下圖所示。4.10蝸桿實體特征4.2蝸輪的參數化設計4.2.1零件的分析輪齒、蝸輪軸承套圈和蝸桿主要部分等元件共同組裝成渦輪。利用刀具對渦輪進行加工的時候，便是渦輪滾刀同渦輪進行嚙合的流程，渦輪滾刀其實是和被制造的渦輪進行嚙合的一個蝸桿，因此滾刀的基礎參變量基本和蝸桿的參變量相同。經過蝸桿軸線并和蝸輪轉動軸線保持垂直關系的平面（中間平面）內，此平面上面的蝸桿與渦輪產生的嚙合同蝸桿漸開線與齒條間產生的嚙合是相同的。所以能夠把渦輪中存在的特殊平面上面的齒形當做是對刀具幾何外形進行模擬的參考。圖4.11顯示的直角坐標系里面，蝸桿和渦輪進行嚙合傳動，坐標系和蝸桿是綁定在一起的，坐標系和渦輪是綁定在一起的。圖4.11蝸輪蝸桿傳動坐標系對渦輪蝸桿嚙合位置A的運行軌跡展開分析，A點從起點出發，圍繞Z1軸進行空間螺旋運行，運行軌跡記為公式（3.1），同時，A點圍繞Z2軸進行圓周運動(角速度設置成)，統一兩種運行，能夠將A點運行在坐標系上的軌跡方程得出：公式中：r1和r2分別代表了蝸桿和蝸輪里面分度圓達到的半徑；分別代表蝸桿在單位時間所走的弧度，蝸輪在單位時間內所走的弧度；a表示蝸輪和蝸桿中心距離。渦輪在中平面上形成的齒槽狀被叫做是漸開線，當期視為是模擬工具的外部尺寸。笛卡爾坐標系中的漸開線公式是：公式中：r1和r2分別代表了蝸桿和蝸輪里面分度圓達到的半徑；分別代表蝸桿在單位時間所走的弧度，蝸輪在單位時間內所走的弧度；k表示任一點f}在漸開線上的展開角；rb表示基圓上的半徑。在Pro/E軟件里面把漸開線方程轉化成相應的表達式，選擇插入參考曲線菜單，根據方程命令將漸開線畫出來，能夠將渦輪在單個齒槽上面的單邊側輪廓曲線繪制出來。渦輪中端面任意圓（半徑rk）上面的齒厚度Sk公式是：任意一個圓上面的蝸輪輪齒之間的夾角θ公式為:輪齒相鄰輪齒間的距離對稱軸取決于基圓上面的齒間角θb，齒輪一側的輪廓曲線將其當做是對稱軸的鏡像，畫出齊全的齒輪相鄰輪齒間的距離曲線。5蝸輪主要參數參數輸入蝸輪包含的主要參變量有：蝸輪的寬度(B)、紋升角（Q)、模數（M）、蝸輪輪齒數量(Z2)、基柱螺旋角（GAMMA）、蝸桿頭數量((Z1)等。5.1蝸輪模型的創建蝸輪模型的建立類似于蝸桿模型的建立，建立蝸輪的基本特點、為蝸輪繪制漸開線、構建掃描混合特點和復制矩陣特點等之后才能將蝸輪模型構建出來。其流程主要是：5.1.1創建蝸輪基準特征創建模型參考：模型參考涉及到的元素有DTM1和DTM2兩個參考平面、兩個參考軸A1和A2，以及參考坐標系CSO、CS1。參考平面DTM1是通過TOP平面平行移動形成的，DTM1參考平面是將TOP平面當做參照順著DTM1平行移動形成的，參考軸A1屬于是TOP平面與RIGHT平面相交產生的線，參考軸A2屬于是DTM1參考平面與平面RIGHT相交產生的線，而CSO參考坐標系是將平面RIGHT，平面TOP，平面作為參照獲得的，CS1參考坐標系將CSO參考坐標系當做參照物，坐標系不同軸的方向取決于定向方式。5.1.2創建蝸輪漸開線以CS1坐標系當做是參考坐標系，把FRONT平面當做是參考平面，畫出4個同心圓，分別和蝸輪上的分度圓、齒輪外徑和基圓以及齒根圓相照應。保持坐標系固定，確定方程法，在坐標系類型設定里面篩選出笛卡爾坐標系，在開啟的筆記本中導入曲線對應的漸開線方程，便能將蝸輪上面的漸開線繪制出來。然后依靠鏡像技術，將RIGHT平面當做是鏡像平面，以此對漸開線進行鏡像。將已經完成的漸開線當做是拷貝對象，依靠拷貝將另一邊的漸開線繪制出來。5.1.3創建旋轉曲面利用旋轉功能，將DTM1平面當做是草繪平面，依靠旋轉便能繪制出旋轉曲面。5.1.4創建蝸輪主體將TOP平面當做是草繪平面，將蝸輪主體的橫截面畫出來，通過旋轉便能獲得蝸輪實體屬性，下圖顯示的是蝸輪實體相關的特點。圖4.12蝸輪主體5.1.5創建掃描混合特征及陣列將投影路徑曲線視為是原始的掃描路徑，將其輪廓曲線畫出來，利用去除材料掃描混合工具能夠獲得混合切口的掃描，對上個步驟的輪廓特征進行拷貝，將A1軸當做是陣列的中心，隊列的切口是呈360°平均分布的，陳列數量達到Z2-1，下圖顯示的是陳列特點。圖4.13切口陣列特征5.2參數關系式確定從工具菜單目錄中點擊關系選項，彈出一個編輯對話窗口，對參變量關系式進行添加。下圖給出的是參變量編輯對話窗口。圖4.14關系編輯對話框蝸輪運用參數化方式建立模型相關尺寸的關系式為：GAMMA=ATAN(M*Z1/D)BETA=GAMMAALPHA_T=ATAN(TAN(ALPHA)/COS(BETA))D0=D/2D1=D+M*(Z2+2*X2)/2D2=360/(4*Z2)-180*TAN(ALPHA_T)/PI+ALPHA_TD3=M*Z2D4=D3+2*MD5=D3*COS(ALPHA_T)D6=D3-2.4*MD8=ASIN(M*Q*TAN(BETA)/D5)D10=ASIN(M*Q*TAN(BETA)/D5D12=2*D1D13=D/2D16=BETAD20=D3+2*(1+X2)*MIFZ1<=1D21=D20+2*MENDIFIFZ1>1IFZ1<=3D21=D20+1.5*MENDIFENDIFIFZ1>3D21=D20+MENDIFD22=BD23=(D-2*M)/2D26=MD42=0.38*MD54=0.38*MD85=360/Z2P86=Z2-1有關參變量的規格是：平面DTM1平行移動的路程是D0，平面DTM2平行移動的路程設置成D1，D2屬于是坐標系CSO和CS1之間的夾角，D3為分度圓直徑，D4齒頂圓直徑，DS為基圓直徑，D6為齒根圓直徑，D8和D10為創建另一側漸開線時復制的旋轉角度，D12是回轉面的直徑，D16表示投影草圖截面的夾角，D21表示蝸輪外圓上的直徑，D22表示蝸輪齒的寬度，D26是蝸輪的尺寸倒角，D85表示陳列的旋轉角的大小，D86表示陣列的數目。5.3蝸輪程序成參數化設計打開Pro/E軟件，在工具欄里面選中程序，之后點擊編輯程序便能出現一個編輯蝸輪程序的記事本，在里面